Gasturbinen I - H. Klinkner
Gasturbinen I - H. Klinkner
Gasturbinen I - H. Klinkner
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<strong>Gasturbinen</strong> I<br />
Seit 1939 werden <strong>Gasturbinen</strong> eingesetzt. Sie ersetzen im Flug zeugbau zunehmend den Ottomotor<br />
(außer bei kleinen Leistungen).<br />
Die Phasen des (idealisiert dargestellten) Kreisprozesses verlaufen ununterbrochen in hintereinander<br />
geschalteten Teilanlagen:<br />
isobare Erhitzung in der Brennkammer ; Restluft (÷70%) wird beigemischt.<br />
thermische Überlastung der Turbinenschaufeln wird vermieden.<br />
Q zu<br />
vielstufiger (Axial-)<br />
Verdichter<br />
mehrstufige Axialturbine<br />
Durch die innerer Reibung verlaufen die<br />
Prozesse eigentlich poly trop. Verdichtungsund<br />
Ausgangstemperatur sind höher .<br />
Q ab durch Kühlung oder Gasaustausch<br />
Obwohl (offene) <strong>Gasturbinen</strong> einen relativ geringen Wirkungsgrad haben und hohe Baukosten erfordern, werden sie<br />
vielfältig eingesetzt. <strong>Gasturbinen</strong> haben wegen ihrer geringen Masse und Baugröße eine hohe Leistungs dichte.<br />
Sie besitzen keine os zillierenden Massen, liefern ein gleichmäßiges Drehmoment und können auch minder wertige<br />
Brennstoffe ausnutzen. Die Brennstoffe müssen allerdings schwefel arm sein, damit die Legierungsbestandteile der<br />
Schaufeln nicht chemisch reagieren. <strong>Gasturbinen</strong> bieten eine schnelle Einsatzbereitschaft, sind einfach zu bedienen<br />
und ermöglichen eine automatische Regelung.<br />
Antriebe für ...<br />
Luftstrahl triebwerke<br />
Strom erzeuger<br />
(für Spitzen lasten)<br />
Notstromaggregate,<br />
mobile Kraftwerke,<br />
Luftspeicher- <br />
Arbeitsmaschinen<br />
z.B. Pumpen, Verdichter,<br />
große Schiffsantriebe<br />
Propeller- Turbo-<br />
Luftstrahltriebwerk<br />
unter-<br />
Turbine nur für den Verdichter<br />
Hohe Luftgeschwindigkeit und<br />
-masse ermöglichen großen<br />
Schub (Impuls= m⋅v )<br />
≈ über schallbereich<br />
der offenen Einwellengasturbine:<br />
a) Belastungsanstieg Drehzahl sinkt<br />
fallender Verdichtungsdruck<br />
Turbinenleistung fällt schnell ab<br />
b) Belastungsabfall Drehzahl steigt etwas an<br />
Verdichter verbraucht viel mehr Leistung<br />
schlechter Wirkungsgrad<br />
Offene Einwellengasturbinen sind nur<br />
für gleichbleibende Drehzahlen geeignet.<br />
weitere<br />
a) Zweiwellen gasturbine:<br />
Sie passt sich mit der Drehzahl der Belastung an, denn die Ladeturbine<br />
fördert last - unabhängig:<br />
• Drehzahl der Nutzturbine fällt Drehmoment steigt;<br />
• Teillastregelung: weniger Brennstoff<br />
b) Gasturbine mit Wärmetauscher zwischen Verdichter und Brennkammer :<br />
wirtschaftlich, wenn die Abgase heißer sind als die verdichtete Luft.<br />
(Kleine Temperaturdifferenzen benötigen große Wärmeaustauschflächen.)<br />
Verdichter<br />
Brennkammer<br />
Ladeturbine<br />
Arbeitsturbine
<strong>Gasturbinen</strong> II<br />
c) <strong>Gasturbinen</strong> mit geschlossenem Kreislauf:<br />
Dem Arbeitsmittel wird die Wärme von außen über die Rohrwandung<br />
zugeführt; nach der Energieabgabe in der Turbine muss<br />
es zum Anfangszustand zurückgekühlt werden.<br />
Leistungen: bis 1 GW<br />
Lufterhitzer<br />
Kühler<br />
+ keine verschmutzenden, korrodierenden Bestandteile im Gas; chemisch beständige Gase einsetzbar (z.B.<br />
Helium)<br />
+ verschiedenste Brennstoffe (fest, flüssig oder gasförmig) einsetzbar<br />
+ Regelung: einfach über Mengenregelung; im Teillastbereich vermindert man den Druck und damit die<br />
Strömungsmassen guter Teillastwirkungsgrad<br />
- teuer : insbesondere Wärmetauscher und Kühler erforderlich<br />
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, muss man hohe Temperaturen anstreben. Die Leit- und Laufschaufeln<br />
benötigen eine hohe Warmfestigkeit. Die Turbinenschaufeln stellt man aus austenitischem Stahl oder aus Legierungen<br />
mit über 20% Ni, 20% Cr, Al und Ti u. 1% Fe her. Sie sind oft verchromt oder haben keramische Überzüge.<br />
Zusätzliche Schaufel kühlung erlaubt Turbineneintrittstemperaturen von 1100 o C.<br />
Die Leitschaufeln werden oft aus Sinterkeramik hergestellt.<br />
1. Wie kann man den Wirkungsgrad von <strong>Gasturbinen</strong> verbessern?<br />
Turbineneintrittstemperatur erhöhen durch bessere Schaufelmaterialien und durch Schaufelkühlung;<br />
Abgasenergie (teilweise) mittels Wärmetauscher nutzen, Verluste eindämmen,<br />
mit der Abwärme eine Dampfturbine betreiben ( Kombikraftwerk)<br />
2. a) Skizzieren Sie ein Schaltbild einer<br />
offenen Gasturbine mit Abwärmenutzung!<br />
b) Charakterisieren Sie ihr<br />
Betriebsverhalten!<br />
Wärmetauscher<br />
Brennkammer<br />
Weil ein Teil der Abwärme noch genutzt werden kann (Verdichterausgangstemperatur <<br />
Turbinenausgangstemperatur), ist der Wirkungsgrad etwas verbessert, aber nur in einem schmalen<br />
Drehzahlbereich. (Verdichter arbeitet nur dann effektiv; Ein-Wellen-Gasturbine)<br />
3. Warum hat sich die Gasturbine trotz entsprechender Bemühungen nicht im Fahrzeugbau durchgesetzt?<br />
Trotz hoher Leistungsdichte und gleichmäßigem Drehmoment:<br />
1. nur mäßiger Wirkungsgrad ( Wärmetauscher nötig)<br />
2. ungünstiges Betriebsverhalten (und sie ist nicht ganz leise.)<br />
4. Eine einwellige offene Gasturbine verdichtet Luft polytrop von 1 bar und 288 K auf 8,6 bar. Am Verdichteraustritt<br />
wird eine Temperatur (T 2 isentrop = 533 K) T 2 = 579 K gemessen. Die<br />
Turbineneintrittstemperatur beträgt 1073 K. Am Turbinenaustritt wird eine Temperatur von 682 K<br />
gemessen (polytrope Expansion auf 1 bar).<br />
a) Wie viel Wärme muss in der Brennkammer jedem kg Luft zugeführt werden?<br />
(mittlere spez. Wärmekapazität c p =1,11 kJ/kg⋅K)<br />
548 kJ<br />
b) Berechnen Sie die Abgasenergie ( c p =1,03 kJ/kg⋅K ) 406 kJ<br />
c) Wie groß ist der effektive Wirkungsgrad der Turbine bei einem mechanischen<br />
Wirkungsgrad von 90%? 23%<br />
d) Für welchen Massenstrom muss die Gasturbine ausgelegt werden, damit sie 45 000 kW abgibt?.<br />
352 kg/s
<strong>Gasturbinen</strong><br />
a) geg.: p 2 3<br />
1 4<br />
V<br />
T 1 = 288 K<br />
T 2 = 579 K<br />
T 3 = 1073 K<br />
T 4 = 682 K<br />
ges.: Q 2-3 in kJ<br />
Q = m ⋅c ⋅ ( T −T<br />
)<br />
2−3 p 3 2<br />
Isobare !!<br />
1 kg<br />
q2 3<br />
cp<br />
( T3 T2<br />
) 1,11<br />
kJ<br />
(1073K 579 K ) 548,3<br />
kJ<br />
−<br />
= ⋅ − = ⋅ − =<br />
kg ⋅K<br />
kg<br />
b)<br />
c)<br />
q = 4 1<br />
c ⋅ p ( T − 1<br />
T4) = 1,03<br />
kJ<br />
( 394 K ) 405,8<br />
kJ<br />
−<br />
kg ⋅K<br />
⋅ − = − kg<br />
η = η ⋅η<br />
eff th mech<br />
η<br />
th<br />
(548,3 − 405,8) kJ<br />
Q<br />
zu<br />
− Q<br />
ab<br />
kg<br />
= = = 0,26<br />
Qzu<br />
548,3 kJ kg<br />
η<br />
eff<br />
= 0,26 ⋅ 0,9 = 0,234<br />
d)<br />
•<br />
P =<br />
W<br />
=<br />
m ⋅W<br />
= m ⋅w<br />
t t ⋅ m<br />
Arbeit pro kg<br />
w = qzu<br />
⋅ η<br />
eff<br />
= 548,3<br />
kJ<br />
⋅ 0,234 = 128,2<br />
kJ<br />
kg<br />
kg<br />
45000 kJ<br />
•<br />
P<br />
s kg<br />
m = = = 351<br />
w<br />
128,2 kJ s<br />
kg<br />
weil noch Platz ist ...<br />
... hier eine<br />
kaum bekannte<br />
interessante<br />
Variante: